CN101764857A - 下一代全ip无线传感器网络移动切换的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，所述无线传感器网络包括：网关节点、固定传感器节点、移动传感器节点及移动传感器节点的关联节点。移动传感器节点的当前关联节点对移动传感器节点进行移动监测，当发现移动传感器节点将要脱离其通信范围时，关联节点负责寻找移动传感器节点的下一个关联节点，并实施移动切换以确保移动传感器节点通信的正确性和连续性。本发明中，移动切换的控制信息通过网络拓扑自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间，此外，移动传感器节点无须转交地址，也无须参加移动切换的控制过程，节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动切换的实现系统，尤其涉及的是一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法。
背景技术
随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)的广泛应用及下一代互联网络的发展，WSN与下一代互联网实现全IP通信互联已成为未来发展的必然趋势。目前，IETF(Internet Engineering Task Force)工作组正致力于实现WSN与下一代互联网的全IP通信的研究工作，并提出了下一代全IP无线传感器网络的基本框架。
随着用户对移动业务需求的不断增长，下一代全IP无线传感器网络只有提供良好地移动性支持，才能使其获得更大地应用空间。目前，基于隧道的移动协议(如HMIPv6，FMIPv6及MIPv6)应用到下一代全IP无线传感器网络中还存在一些问题，主要原因为如下：
1)现有移动协议中，移动传感器节点需要发送和接收大量的控制信息来确保移动过程中的通信畅通，减少数据包的丢失，而传输控制信息会消耗大量的能量，这会大幅度缩减传感器节点的寿命；
2)现有移动协议都是基于网络层实现的，即每个控制信息数据包都需要包括IPv6包头，这对资源有限的传感器节点来说会造成不小的开销，同样会缩短传感器节点的寿命。
因此针对资源有限的下一代全IP无线传感器网络需要建立一种低开销的移动切换方法。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法。
技术方案：本发明公开了一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，所述下一代全IP无线传感器网络为与IPv6网络实现全IP通信互联的无线传感器网络，是下一代Internet(IPv6网络)的末端网络；所述无线传感器网络中的每个传感器节点拥有唯一的IPv6地址，IPv6网络节点通过IPv6Internet(网络)以及无线传感器节点的IPv6地址实现全IP通信互联；
所述无线传感器网络中设置四类节点：网关节点、固定传感器节点、移动传感器节点及移动传感器节点的关联节点，其中，所述无线传感器网络包含一个网关节点和少量固定传感器节点，网关节点与固定传感器节点形成树状结构，网关节点为根节点，固定传感器节点为中间节点及叶子节点，此树状结构构成所述无线传感器网络的路由骨干网络，移动传感器节点用于采集数据，通过由网关节点和固定传感器节点形成的树状结构进行路由，实现与网关节点的通信，移动传感器节点的关联节点为与移动传感器节点进行直接通信的固定传感器节点，同一个时刻，一个移动传感器节点只有一个关联节点；
移动传感器节点的网络地址在移动过程中不发生变化，即固定；
下一代全IP无线传感器网络中的移动切换过程在链路层实现；移动传感器节点的当前关联节点对移动传感器节点进行移动监测，当发现移动传感器节点将要脱离其通信范围时(即信号覆盖范围)，关联节点负责寻找移动传感器节点的下一个关联节点，并与包含当前关联节点及下一个关联节点的最小子树的树根节点进行移动切换操作，以确保移动传感器节点通信的正确性。
本发明所述方法中，所述网关节点、固定传感器节点以及移动传感器节点的IPv6地址包括三个部分：全局路由前缀、无线传感器网络前缀与节点ID，全局路由前缀唯一地标识一个下一代Internet的末端网络，末端网络中的所有节点的全局路由前缀都相同；无线传感器网络前缀唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络，网络中的所有传感器节点的IPv6地址的无线传感器网络前缀都相同，其值为网关节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中具有唯一性；节点ID唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络中的传感器节点，其值等于传感器节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中具有唯一性。网关节点的节点ID为0。
本发明所述方法中，固定传感器节点通过加入树状结构获取IPv6地址，同时保存自己所在树状结构的深度参数以及父节点和子孙节点的路由信息，其中，网关节点没有父节点，其深度参数为0，固定传感器节点加入树状结构的过程描述为：
步骤301：固定传感器节点X广播加入树状结构的命令帧；
步骤302：在命令帧覆盖范围内的已经加入树状结构的邻居固定传感器节点收到命令帧后，向固定传感器节点X返回一个响应命令帧，命令帧的内容是它在树状结构的深度参数值以及IPv6地址的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀；
步骤303：在规定时间后，固定传感器节点X查看接收到的响应命令帧中包含的深度参数，选择深度参数值最小的邻居固定传感器节点F作为父节点并记录下父节点F的IPv6地址以及自身在树状结构中的深度参数值，即父节点F的深度参数值加1，同时将响应帧中的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀与自身的初始ID号相结合形成IPv6地址，同时向父节点F返回一个确认命令帧；
步骤304：固定传感器节点X的父节点F收到确认命令帧后，增加一条路由表项，表项的目的地址及下一跳节点地址均为移动传感器节点的节点ID，同时将此确认命令帧转发给父节点F的父节点；
步骤305：确认命令帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果确认命令帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到确认命令帧后，首先判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤307，否则进行步骤306；
步骤306：确认命令帧的目的节点增加一条路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，继续将确认命令帧转发给收到确认命令帧的固定传感器节点的父节点，进行步骤305；
步骤307：根节点同样增加一个路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，树根节点到达固定传感器节点X的路由路径建立完成；
步骤308：过程结束。
本发明所述方法中，固定传感器节点定期广播beacon帧。当固定传感器节点在预定时间内没有收到父节点的beacon帧时，则判定父节点处于失效状态，并重新选择父节点并修改相应的路由信息；当固定传感器节点在规定时间(一般设置为10-60分钟)内没有收到子节点的beacon帧时，则认为子节点处于失效状态，并删除以子节点为根节点的子树中所有节点的路由信息，同时也通知它的祖先节点删除相应节点的路由信息。
本发明所述方法中，固定传感器节点通过测量相邻固定传感器节点发送的beacon信标帧可获取与相邻固定簇首节点的相对位置；移动传感器节点的关联节点通过与移动传感器节点的信息交互也可以获取移动传感器节点与自己的相对位置。当移动传感器节点的关联节点检测到移动传感器节点即将离开自己的通信区域时，它根据移动传感器节点与自己的相对位置从相邻固定传感器节点中选择与移动传感器节点距离最近的固定传感器节点作为移动传感器节点的下一个关联节点。
本发明所述方法中，树状结构中的网关节点及固定传感器节点保存一个移动传感器节点关联节点对照表，对照表包括两个域：移动传感器节点域和关联节点域，移动传感器节点域记录移动传感器节点的节点ID，关联节点域记录移动传感器节点的关联节点的节点ID。
本发明所述方法中，当移动传感器节点的关联节点检测到移动传感器节点即将离开自己的通信区域并确定其下一个关联节点时，关联节点与下一个关联节点之间进行如下切换操作：
步骤501：移动传感器节点的关联节点S1向其父节点发送一条位置更新命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID以及其下一个关联节点S2的节点ID，同时向下一个移动传感器节点的关联节点S2发送一个新节点命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID，同时删除对照表中移动传感器节点的表项；
步骤502：新节点命令帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果新节点命令帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到新节点命令帧后，查看关联节点S2是否在以自己为根节点的子树中，如果不存在，进行步骤503，否则进行步骤504；
步骤503：新节点命令帧的目的节点删除对照表中移动传感器节点的表项，同时将位置更新命令帧转发给新节点命令帧的目的节点的父节点，进行步骤502；
步骤504：新节点命令帧的目的节点更新对照表中移动传感器节点的表项，将表项中当前关联节点域更新为关联节点S2的节点ID；
步骤505：关联节点S2接收到关联节点S1的新节点命令帧后，向移动传感器节点定期发送关联请求命令帧，当收到移动传感器节点返回的关联响应命令帧后，在对照表中增加一条表项，表项的移动传感器节点域为移动传感器节点的节点ID，关联节点域为关联节点S2的节点ID，同时向关联节点S1返回一个新节点确认命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID；
步骤506：关联节点S1收到关联节点S2返回的确认命令帧后，如果关联节点S1有目的地址为移动传感器节点的数据帧，将所述数据帧发送给关联节点S2；
步骤507：关联节点S2收到目的地址为移动传感器节点的数据帧时，将此数据帧转发给移动传感器节点；
步骤508：过程结束。
上述命令帧通过扩展IEEE802.15.4的命令帧类型获取。
本发明所述方法中，移动传感器节点与IPv6节点交互的数据帧的Mesh DeliveryHeader的地址域包括三个域：源地址域，目的地址域，最终地址域。当网关节点向移动传感器节点发送数据帧时，源地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为移动传感器节点的节点ID；当移动传感器节点向网关节点发送数据帧时，源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀。
本发明所述方法中，移动传感器节点与IPv6节点通信的过程描述为：
步骤701：IPv6节点发送一条获取移动传感器节点所采集信息的IPv6数据包，此数据包的目的地址为移动传感器节点的IPv6地址，此数据包在IPv6网络中进行路由，最后到达目的移动传感器节点所在无线传感器网络的网关节点；
步骤702：网关节点收到数据包后首先查看移动传感器节点关联节点对照表，根据数据包的目的地址中的节点ID找到移动传感器节点的关联节点的节点ID，然后对数据包进行精简分片操作(参见RFC4944)，对于每个分片分别用Fragment Header、MeshDelivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为关联节点的节点ID，最终地址为移动传感器节点的节点ID，MAC Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，然后网关节点将数据帧发送出去；
步骤703：下一跳节点收到数据帧后查看移动传感器节点关联节点对照表中是否存在移动传感器节点的表项，如果存在，进行步骤704，否则进行步骤706；
步骤704：下一跳节点判断表项的关联节点域值与数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值是否相同，如果相同，进行步骤706，否则进行步骤705；
步骤705：下一跳节点用表项的关联节点域值更新数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值，进行步骤706；
步骤706：下一跳节点查看自己的节点ID是否等于帧中Mesh Delivery Header的目的地址值，如果等于，进行步骤708，否则进行步骤707；
步骤707：下一跳节点将数据帧中MAC Header的源地址更新为自己的节点ID，目的地址更新为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，将数据帧发送出去，进行步骤703；
步骤708：关联节点收到数据帧后，查看移动簇关联节点对照表中是否存在MeshDelivery Header中最终地址域中的节点ID相对应的表项，如果存在进行步骤710，否则进行步骤709；
步骤709：关联节点则将数据帧发送到移动传感器节点的下一个关联节点，进行步骤710；
步骤710：移动传感器节点的当前关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点；
步骤711：移动传感器节点将返回的信息封装为IPv6数据包，进行精简分片处理，对于每个分片分别用Fragment Header、Mesh Delivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，MACHeader的源地址为移动传感器节点的节点ID，目的地址为为关联节点的节点ID，然后将数据帧发送出去；
步骤712：关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点的关联节点的父节点；
步骤713：数据帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果数据帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到数据帧后，首先判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤715；否则进行步骤714；
步骤714：数据帧的目的节点将数据帧发送给数据帧的目的节点的父节点，进行步骤713；
步骤715：根节点收到所有的数据帧后，将数据分片还原为完整的IPv6数据包，并将此数据包发送到IPv6网络上，最终此数据包到达源IPv6节点；
步骤716：过程结束。
有益效果：本发明提供了一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，所述无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的移动切换实现方法，可保持移动过程中通信的连续性，由于本发明中的移动切换控制信息在链路层进行交互，因此传输数据量小，延迟时间短，此外，移动切换的控制信息通过网络拓扑结构自动实现路由，节省了建立路由带来的功耗和延迟时间。本发明中的移动传感器节点无须转交地址，并且无须参加移动切换的控制过程，从而节省了能量，延长了寿命。本发明可应用于农业设施现代化及医疗健康等诸多领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明所述的网关节点、固定传感器节点、移动传感器节点及移动传感器节点关联节点的结构示意图。
图2为本发明所述的网关节点、传感器节点以及固定传感器节点的IPv6地址结构示意图。
图3为本发明所述的固定传感器节点加入树状结构并获取IPv6地址的流程示意图。
图4为本发明所述的移动传感器节点关联节点对照表结构示意图。
图5为本发明所述的移动传感器节点关联节点与其下一个关联节点之间的移动切换流程示意图。
图6为本发明所述的移动传感器节点与IPv6节点交互的数据帧中Mesh DeliveryHeader的结构示意图。
图7a和图7b为本发明所述的移动传感器节点与IPv6节点通信流程示意图。
具体实施方式：
本发明提供了一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，在所述方法中，无线传感器网络中的移动传感器节点通过本发明所提供的移动切换实现方法，可保持移动过程中通信的连续性。
图1所示的是为本发明所述的网关节点、固定传感器节点、移动传感器节点及移动传感器节点关联节点的结构示意图，网络中设置四类节点：网关节点1、固定传感器节点2、移动传感器节点3及移动传感器节点的关联节点4，其中，所述网络包含一个网关节点1和少量固定传感器节点2，网关节点1与固定传感器节点2形成树状结构5，网关节点1为根节点，固定传感器节点2为中间节点及叶子节点，此树状结构5构成所述无线传感器网络的路由骨干网络，移动传感器节点用于采集信息，通过由网关节点1和固定传感器节点2形成的树状结构5进行路由，实现与网关节点1的通信，移动传感器节点的关联节点4为与移动传感器节点3进行直接通信的固定传感器节点2，同一个时刻，一个移动传感器节点3只有一个关联节点4。
图2所示的是本发明所述的网关节点/传感器节点的IPv6地址结构示意图，所述网关节点、移动传感器节点以及固定传感器节点的IPv6地址包括三个部分：全局路由前缀、无线传感器网络前缀与节点ID，全局路由前缀唯一地标识一个下一代Internet的末端网络，末端网络中的所有节点的全局路由前缀都相同，长度为96比特；无线传感器网络前缀唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络，网络中的所有传感器节点的IPv6地址的无线传感器网络前缀都相同，其值为网关节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中具有唯一性，长度为16比特；节点ID唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络中的传感器节点，其值等于传感器节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中具有唯一性，长度为16比特，网关节点的节点ID为0。
图3所示的是本发明所述的固定传感器节点X加入树状结构并获取IPv6地址的流程示意图：
步骤301：固定传感器节点X广播加入树状结构的命令帧；
步骤302：在命令帧覆盖范围内的已经加入树状结构的邻居固定传感器节点收到命令帧后，向固定传感器节点X返回一个响应命令帧，命令帧的内容是它在树状结构的深度参数值以及IPv6地址的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀；
步骤303：在规定时间后，固定传感器节点X查看接收到的响应命令帧中包含的深度参数，选择深度参数值最小的邻居固定传感器节点F作为父节点并记录下父节点F的IPv6地址以及自身在树状结构中的深度参数值，即父节点F的深度参数值加1，同时将响应帧中的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀与自身的初始ID号相结合形成IPv6地址，同时向父节点F返回一个确认命令帧；
步骤304：固定传感器节点X的父节点F收到确认命令帧后，增加一条路由表项，表项的目的地址及下一跳节点地址均为移动传感器节点的节点ID，同时将此确认命令帧转发给父节点F的父节点；
步骤305：确认命令帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果确认命令帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到确认命令帧后，首先判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤307，否则进行步骤306；
步骤306：确认命令帧的目的节点增加一条路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，继续将确认命令帧转发给收到确认命令帧的固定传感器节点的父节点，进行步骤305；
步骤307：根节点同样增加一个路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，树根节点到达固定传感器节点X的路由路径建立完成；
步骤308：过程结束。
图4所示的是本发明所述的移动传感器节点关联节点对照表结构示意图，树状结构中的网关节点及固定传感器节点保存一个移动传感器节点关联节点对照表，对照表包括两个域：移动传感器节点域和关联节点域，移动传感器节点域记录移动传感器节点的节点ID，关联节点域记录移动传感器节点的关联节点的节点ID。
图5所示的是本发明所述的移动传感器节点的关联节点S1与其下一个关联节点S2之间的移动切换流程示意图，具体流程如下：
步骤501：移动传感器节点的关联节点S1向其父节点发送一条位置更新命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID以及其下一个关联节点S2的节点ID，同时向下一个移动传感器节点的关联节点S2发送一个新节点命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID，同时删除对照表中移动传感器节点的表项；
步骤502：新节点命令帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果新节点命令帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到新节点命令帧后，查看关联节点S2是否在以自己为根节点的子树中，如果不存在，进行步骤503，否则进行步骤504；
步骤503：新节点命令帧的目的节点删除对照表中移动传感器节点的表项，同时将位置更新命令帧转发给新节点命令帧的目的节点的父节点，进行步骤502；
步骤504：新节点命令帧的目的节点更新对照表中移动传感器节点的表项，将表项中当前关联节点域更新为关联节点S2的节点ID；
步骤505：关联节点S2接收到关联节点S1的新节点命令帧后，向移动传感器节点定期发送关联请求命令帧，当收到移动传感器节点返回的关联响应命令帧后，在对照表中增加一条表项，表项的移动传感器节点域为移动传感器节点的节点ID，关联节点域为关联节点S2的节点ID，同时向关联节点S1返回一个新节点确认命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID；
步骤506：关联节点S1收到关联节点S2返回的确认命令帧后，如果关联节点S1有目的地址为移动传感器节点的数据帧，将所述数据帧发送给关联节点S2；
步骤507：关联节点S2收到目的地址为移动传感器节点的数据帧时，将此数据帧转发给移动传感器节点；
步骤508：过程结束。图6所示的是本发明所述的移动传感器节点与IPv6节点交互的数据帧中Mesh Delivery Header中地址域的结构示意图，Mesh Delivery Header的地址域包括三个域：源地址域，目的地址域，最终地址域。当网关节点向移动传感器节点发送数据帧时，源地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为移动传感器节点的节点ID；当移动传感器节点向网关节点发送数据帧时，源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀。
图7a和图7b所示的是本发明所述的移动传感器节点与IPv6节点通信流程示意图，具体流程如下：
步骤701：IPv6节点发送一条获取移动传感器节点所采集信息的IPv6数据包，此数据包的目的地址为移动传感器节点的IPv6地址，此数据包在IPv6网络中进行路由，最后到达目的移动传感器节点所在无线传感器网络的网关节点；
步骤702：网关节点收到数据包后首先查看移动传感器节点关联节点对照表，根据数据包的目的地址中的节点ID找到移动传感器节点的关联节点的节点ID，然后对数据包进行精简分片操作(参见RFC4944)，对于每个分片分别用Fragment Header、MeshDelivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为关联节点的节点ID，最终地址为移动传感器节点的节点ID，MAC Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，然后网关节点将数据帧发送出去；
步骤703：下一跳节点收到数据帧后查看移动传感器节点关联节点对照表中是否存在移动传感器节点的表项，如果存在，进行步骤704，否则进行步骤706；
步骤704：下一跳节点判断表项的关联节点域值与数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值是否相同，如果相同，进行步骤706，否则进行步骤705；
步骤705：下一跳节点用表项的关联节点域值更新数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值，进行步骤706；
步骤706：下一跳节点查看自己的节点ID是否等于帧中Mesh Delivery Header的目的地址值，如果等于，进行步骤708，否则进行步骤707；
步骤707：下一跳节点将数据帧中MAC Header的源地址更新为自己的节点ID，目的地址更新为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，将数据帧发送出去，进行步骤703；
步骤708：关联节点收到数据帧后，查看移动簇关联节点对照表中是否存在MeshDelivery Header中最终地址域中的节点ID相对应的表项，如果存在进行步骤710，否则进行步骤709；
步骤709：关联节点则将数据帧发送到移动传感器节点的下一个关联节点，进行步骤710；
步骤710：移动传感器节点的当前关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点；
步骤711：移动传感器节点将返回的信息封装为IPv6数据包，进行精简分片处理，对于每个分片分别用Fragment Header、Mesh Delivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，MACHeader的源地址为移动传感器节点的节点ID，目的地址为为关联节点的节点ID，然后将数据帧发送出去；
步骤712：关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点的关联节点的父节点；
步骤713：数据帧的目的节点(此处的节点类型可能为网关节点，也可能为固定传感器节点，即如果数据帧的目的节点为根节点，那么目的节点就是网关节点，否则为固定传感器节点)收到数据帧后，首先判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤715；否则进行步骤714；
步骤714：数据帧的目的节点将数据帧发送给数据帧的目的节点的父节点，进行步骤713；
步骤715：根节点收到所有的数据帧后，将数据分片还原为完整的IPv6数据包，并将此数据包发送到IPv6网络上，最终此数据包到达源IPv6节点；
步骤716：过程结束。
综上所述，本发明提供了下一代全IP无线传感器网络地址移动切换的实现方法，此项技术可以应用于医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在医疗健康领域中，可在患者身体上安装多个传感器节点监测患者的身体健康参数。在患者移动过程中，医生仍然可以通过访问传感器节点实时了解患者身体的健康参数以进行及时治疗。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。
本发明提供了下一代全IP无线传感器网络地址移动切换的实现方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，所述下一代全IP无线传感器网络为与IPv6网络实现全IP通信互联的无线传感器网络，是IPv6网络的末端网络；所述无线传感器网络中的每个传感器节点拥有唯一的IPv6地址，IPv6网络节点通过IPv6网络以及无线传感器节点的IPv6地址实现全IP通信互联；
所述无线传感器网络中设置四类节点：网关节点、固定传感器节点、移动传感器节点及移动传感器节点的关联节点；其中，所述网关节点与固定传感器节点形成树状结构，网关节点为根节点，固定传感器节点为中间节点及叶子节点，此树状结构构成所述无线传感器网络的路由骨干网络；移动传感器节点用于采集数据，通过由网关节点和固定传感器节点形成的树状结构进行路由，实现与网关节点的通信，移动传感器节点的关联节点为与移动传感器节点直接进行通信的树状结构中的节点，同一个时刻，一个移动传感器节点只有一个关联节点；
移动传感器节点的网络地址在移动过程中固定；
下一代全IP无线传感器网络中的移动切换在链路层实现；移动传感器节点的当前关联节点发现移动传感器节点将要脱离其通信范围时，关联节点寻找移动传感器节点的下一个关联节点，并与包含当前关联节点及下一个关联节点的最小子树的树根节点进行移动切换操作。
2.根据权利要求1所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，所述网关节点、移动传感器节点以及固定传感器节点的IPv6地址包括三个部分：全局路由前缀、无线传感器网络前缀与节点ID；所述全局路由前缀唯一地标识一个IPv6网络的末端网络，末端网络中的所有节点的全局路由前缀都相同；无线传感器网络前缀唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络，无线传感器网络中的所有传感器节点的IPv6地址的无线传感器网络前缀都相同，其值为网关节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中具有唯一性；节点ID唯一地标识一个下一代全IP无线传感器网络中的传感器节点，其值等于传感器节点的初始值，在下一代全IP无线传感器网络中唯一，网关节点的节点ID为0。
3.根据权利要求1所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，固定传感器节点通过加入树状结构获取IPv6地址，同时保存自己所在树状结构的深度参数以及父节点和子孙节点的路由表项，其中，网关节点深度参数为0，固定传感器节点加入树状结构的过程描述为：
步骤301：固定传感器节点X广播加入树状结构的命令帧；
步骤302：在命令帧覆盖范围内的已经加入树状结构的邻居固定传感器节点收到命令帧后，向固定传感器节点X返回一个响应命令帧，命令帧的内容是邻居固定传感器节点在树状结构的深度参数值以及IPv6地址的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀；
步骤303：在规定时间后，固定传感器节点X查看接收到的响应命令帧中包含的深度参数，选择深度参数值最小的邻居固定传感器节点F作为父节点并记录下父节点的IPv6地址以及固定传感器节点X在树状结构中的深度参数值，即父节点的深度参数值加1，同时将响应帧中的全局路由前缀以及无线传感器网络前缀与自身的初始ID号相结合形成IPv6地址，同时向父节点返回一个确认命令帧；
步骤304：固定传感器节点X的父节点收到确认命令帧后，增加一条路由表项，表项的目的地址及下一跳节点地址均为移动传感器节点的节点ID，同时将此确认命令帧转发给固定传感器节点X的父节点的父节点；
步骤305：确认命令帧的目的节点收到确认命令帧后，首先判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤307，否则进行步骤306；
步骤306：确认命令帧的目的节点增加一条路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，继续将确认命令帧转发给收到确认命令帧的固定传感器节点的父节点，进行步骤305；
步骤307：根节点同样增加一个路由表项，表项的目的地址为固定传感器节点X的节点ID，下一跳节点地址为转发此确认命令帧的固定传感器节点的节点ID，树根节点到达固定传感器节点X的路由路径建立完成；
步骤308：过程结束。
4.根据权利要求1所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，所述固定传感器节点定期广播beacon帧，当固定传感器节点在预定时间内没有收到固定传感器节点父节点的beacon帧时，判定其父节点处于失效状态，则重新选择父节点并通知父节点及祖先节点修改路由表项，即增加以固定传感器节点为树根节点的子树中所有节点的路由表项；当固定传感器节点在规定时间内没有收到子节点的beacon帧时，判定其子节点处于失效状态，删除以子节点为根节点的子树中所有节点的路由表项，同时通知其祖先节点删除相应节点的路由表项。
5.根据权利要求1所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，固定传感器节点通过测量相邻固定传感器节点发送的beacon信标帧获取与相邻固定簇首节点的相对位置；移动传感器节点的关联节点通过与移动传感器节点的信息通信获取移动传感器节点与自己的相对位置，当移动传感器节点的关联节点发现移动传感器节点即将离开自己的通信区域时，根据移动传感器节点与自己的相对位置从相邻固定传感器节点中选择与移动传感器节点距离最近的固定传感器节点作为移动传感器节点的下一个关联节点。
6.根据权利要求5所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，树状结构中的网关节点及固定传感器节点保存一个移动传感器节点关联节点对照表，对照表包括两个域：移动传感器节点域和关联节点域，移动传感器节点域记录移动传感器节点的节点ID，关联节点域记录移动传感器节点的关联节点的节点ID。
7.根据权利要求5所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，当移动传感器节点的关联节点检测到移动传感器节点即将离开自己的通信区域并确定其下一个关联节点时，关联节点与下一个关联节点之间在链路层进行如下移动切换操作：
步骤501：移动传感器节点的关联节点S1向其父节点发送一条位置更新命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID以及其下一个关联节点S2的节点ID，同时向下一个移动传感器节点的关联节点S2发送一个新节点命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID，同时删除对照表中移动传感器节点的表项；
步骤502：新节点命令帧的目的节点收到新节点命令帧后，查看关联节点S2是否在以自己为根节点的子树中，如果不存在，进行步骤503，否则进行步骤504；
步骤503：新节点命令帧的目的节点删除对照表中移动传感器节点的表项，同时将位置更新命令帧转发给新节点命令帧的目的节点的父节点，进行步骤502；
步骤504：新节点命令帧的目的节点更新对照表中移动传感器节点的表项，将表项中当前关联节点域更新为关联节点S2的节点ID；
步骤505：关联节点S2接收到关联节点S1的新节点命令帧后，向移动传感器节点定期发送关联请求命令帧，当收到移动传感器节点返回的关联响应命令帧后，在对照表中增加一条表项，表项的移动传感器节点域为移动传感器节点的节点ID，关联节点域为关联节点S2的节点ID，同时向关联节点S1返回一个新节点确认命令帧，其内容为移动传感器节点的节点ID；
步骤506：关联节点S1收到关联节点S2返回的确认命令帧后，如果关联节点S1有目的地址为移动传感器节点的数据帧，将所述数据帧发送给关联节点S2；
步骤507：关联节点S2收到目的地址为移动传感器节点的数据帧时，将此数据帧转发给移动传感器节点；
步骤508：过程结束。
8.根据权利要求7所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，移动传感器节点与IPv6节点通信的数据帧的Mesh Delivery Header的地址域包括三个域：源地址域，目的地址域，最终地址域；当网关节点向移动传感器节点发送数据帧时，源地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为移动传感器节点的节点ID；当移动传感器节点向网关节点发送数据帧时，源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为移动传感器节点的关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀。
9.根据权利要求8所述的下一代全IP无线传感器网络移动切换的实现方法，其特征在于，移动传感器节点与IPv6节点通信包括以下步骤：
步骤701：IPv6节点发送一条获取移动传感器节点信息的IPv6数据包，此数据包的目的地址为移动传感器节点的IPv6地址，此数据包在IPv6网络中进行路由，最后到达目的移动传感器节点所在无线传感器网络的网关节点；
步骤702：网关节点收到数据包后首先查看移动传感器节点关联节点对照表，根据数据包的目的地址中的节点ID找到移动传感器节点的关联节点的节点ID，然后对数据包进行精简分片操作，对于每个分片分别用Fragment Header、Mesh Delivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为关联节点的节点ID，最终地址为移动传感器节点的节点ID，MAC Header的源地址为网关节点的无线传感器网络前缀，目的地址为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，然后网关节点将数据帧发送出去；
步骤703：下一跳节点收到数据帧后查看移动传感器节点关联节点对照表中是否存在移动传感器节点的表项，如果存在，进行步骤704，否则进行步骤706；
步骤704：下一跳节点判断表项的关联节点域值与数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值是否相同，如果相同，进行步骤706，否则进行步骤705；
步骤705：下一跳节点用表项的关联节点域值更新数据帧中Mesh Delivery Header中目的地址值，进行步骤706；
步骤706：下一跳节点查看自己的节点ID是否等于帧中Mesh Delivery Header的目的地址值，如果等于，进行步骤708，否则进行步骤707；
步骤707：下一跳节点将数据帧中MAC Header的源地址更新为自己的节点ID，目的地址更新为到达关联节点相应路由表项的下一跳节点的节点ID，将数据帧发送出去，进行步骤703；
步骤708：关联节点收到数据帧后，查看移动簇关联节点对照表中是否存在MeshDelivery Header中最终地址域中的节点ID相对应的表项，如果存在进行步骤710，否则进行步骤709；
步骤709：关联节点则将数据帧发送到移动传感器节点的下一个关联节点，进行步骤710；
步骤710：移动传感器节点的当前关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点；
步骤711：移动传感器节点将返回的信息封装为IPv6数据包，进行精简分片处理，对于每个分片分别用Fragment Header、Mesh Delivery Header及MAC Header对数据分片进行封装，其中，Mesh Delivery Header的源地址域为移动传感器节点的节点ID，目的地址域为关联节点的节点ID，最终地址域为网关节点的无线传感器网络前缀，MACHeader的源地址为移动传感器节点的节点ID，目的地址为关联节点的节点ID，然后将数据帧发送出去；
步骤712：关联节点收到数据帧后，将数据帧发送给移动传感器节点的关联节点的父节点；
步骤713：数据帧的目的节点收到数据帧后，判断自己是否为根节点，如果是，则进行步骤715；否则进行步骤714；
步骤714：数据帧的目的节点将数据帧发送给数据帧的目的节点的父节点，进行步骤713；
步骤715：根节点收到所有的数据帧后，将数据分片还原为完整的IPv6数据包，并将此数据包发送到IPv6网络上，最终此数据包到达源IPv6节点；
步骤716：过程结束。
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Legal Events
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Owner name: CHANGSHU SCIENCE AND ENGINEERING COLLEGE Free format text: FORMER OWNER: WANG XIAONAN Effective date: 20111012 |
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Effective date of registration: 20111012 Address after: 215500 School of computer science and engineering, Changshu Institute Of Technology, Jiangsu, Changshou City (East Lake),, three, China Applicant after: Changshu Science and Engineering College Address before: 215500 School of computer science and engineering, Changshu Institute Of Technology, East Lake, three ring road, Jiangsu, Changshou City 99, China Applicant before: Wang Xiaonan |
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210407 Address after: 214200 No.1 Junzhi Road, Yixing Environmental Protection Science and Technology Industrial Park, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: JIANGSU TRIGIANT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 214221 dahuangchuan, Dagang village, Dingshu Town, Yixing City, Jiangsu Province Patentee before: Wuxi joy wisdom agriculture and Forestry Co.,Ltd. |